Ladungsaustauschdynamik von Ionen für die Strukturbestimmung von kurzreichweitig-geordneten molekularen Nanoschichten

• Antragsteller: Professor Dr. Jürgen Schnack; Professor Dr. Andrey Turchanin
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 552519713

Das zentrale Ziel dieses Antrags ist es, eine quantifizierbare Methode zu entwickeln, mit der die Struktur freistehender organischer und kurzreichweitig geordneter Kohlenstoffnanomembranen (CNM) im sub-nm-Bereich untersucht und festgelegt werden kann. Da nahezu alle mechanischen, chemischen und elektronischen Eigenschaften von Materialen schlussendlich auf die interne atomare Struktur zurückzuführen sind, muss diese Struktur für die vielversprechende Materialklasse der CNMs bestimmt werden. Wir schlagen Streuexperimente mit hochgeladenen Ionen als Methode der Wahl vor. Um unser Ziel zu erreichen, ist es deshalb nötig, ein tiefes Verständnis des Streuprozesses und insbesondere des Nichtgleichgewichtscharakters der Entwicklung des Ladungszustandes während der Wechselwirkung der Ionen mit dem Festkörper zu erlangen. Aus diesem Grund wollen wir uns auf drei Schwerpunkte konzentrieren: 1. Systematische Messungen des Ladungsaustausches hochgeladener Ionen beim Durchgang durch molekulare Nanoschichten (CNM) in Abhängigkeit vom Ionen-Streuwinkel. Der Ladungsaustausch wird experimentell bestimmt und aufbauend auf aktuellen Vorarbeiten der TU Wien anschließend modelliert. Dies wird es uns ermöglichen, die mittlere Porosität der molekularen Nanoschichten zu bestimmen. 2. Maßgeschneiderte Synthese von CNMs durch Abstimmung der Ausgangsmoleküle und Verständnis des Verlinkungsmechanismus mit dem Ziel, die Porosität gezielt einzustellen. Um die Porosität einzustellen, werden wir CNMs ausgehend von unterschiedlichen Molekülen synthetisieren. Der Mechanismus der Verlinkung wird auf seine Abhängigkeit von der Elektronenenergie, die zur Vernetzung führt, untersucht. Dazu werden spektroskopische Methoden, Mikroskopie sowie Streumethoden (XPS, UPS, LEEM, μLEED, SEM) und hochauflösendes AFM eingesetzt. Komplementär dazu soll die Porosität durch präzise Permeationsmessungen an Gasen mit unterschiedlichen kinetischen Durchmessern abgeschätzt werden. Diese experimentellen Resultate sowie die Daten der Ionenstreuung werden untereinander korreliert und mit den theoretischen Modellierungen abgeglichen. 3. Entwicklung von Struktur-Modellen für CNMs. Die Entwicklung von Modellen basiert auf klassischen Kohlenstoffstrukturen und klassischer Molekulardynamik und zielt auf ein Verständnis der inneren Struktur der CNMs ab. Wir wollen insbesondere effektive Prozeduren entwickeln, um die Entstehung der Porosität während der Materialherstellung zu simulieren, mögliche Korrelationen von Eigenschaften wie der Porosität mit den Ausgangsmolekülen zu verstehen und Permeation von Molekülen durch die Membran zu modellieren. Zusammenhänge mit bekannten und zu gewinnenden experimentellen spektroskopischen und AFM-Daten z.B. zu Aromatizität und Charakter der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen sollen hergestellt werden. Große Anstrengungen werden in die Modellierung der Streuung mittels hochgeladener Ionen gehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Richard Wilhelm